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原文传递深水非粘结柔性管屈曲失效研究

论文题名：	深水非粘结柔性管屈曲失效研究
关键词：	海洋开发船;深水柔性管;曲梁单元;结构设计
摘要：	非粘结柔性管，作为海底管道和立管结构中的一种，因其在极端动态海洋环境下表现优异，结构顺应性强，安装成本低，重量低等优点近年来在多个海洋工程项目中获得广泛应用，在我国南海发展前景广阔。但非粘结柔性管结构形式复杂，管层之间存在大量接触摩擦与滑移作用，不利于运用数值模拟方法分析柔性管结构特性。深水非粘结柔性管在安装和铺设过程中，需承受深水压力导致的轴向压力，同时还需要承受循环弯矩等作用，特别是在触地点和反弯点附近，载荷形式复杂，循环弯矩变化频繁，可能会导致非粘结柔性管中的抗拉伸层发生屈曲失效，产生“鸟笼”屈曲和侧向局部屈曲，造成重大的经济损失。工程界对其常规研究方法为全尺度试件试验，成本高昂，而对其的数值模拟研究尚处于起步阶段。因此有必要对非粘结柔性管的局部屈曲特性进行系统化研究，为柔性管截面初步设计提供参考。　　本文采用曲梁理论以及斜驶线和测地线假设对柔性管抗拉伸层进行结构解析解研究，根据方程编制了程序，同时建立对应的有限元模型进行对比分析，证实了该理论应用于柔性管抗拉伸层螺旋钢缆的可行性。此后推导了以曲梁理论和斜驶线假设为基础，附加小变形的曲梁单元刚度矩阵算法公式。运用曲梁单元，以等效简化梁的方法表示整个抗拉伸层，采用混合算法和库伦摩擦模型进行接触和摩擦模拟，分析了轴对称载荷下的结构屈曲特性，包括屈曲失效模式分析、参数敏感性分析以及初始缺陷分析。同时运用等效欧拉梁，虚拟接触面和ABAQUS软件建立欧拉梁非粘结柔性管有限元模型，对两种模型分析对比，研究了两种方法的优劣与差异性。实际工况中柔性管不仅受到轴对称载荷作用还受到弯矩的作用，弯矩的施加使轴对称模型以及等效梁和虚拟接触面都无法应用，这些因素加大了分析难度。针对弯矩下的柔性管屈曲失效，本文运用曲梁方法建立了弯矩载荷下的柔性管屈曲分析有限元模型，进行了屈曲特性和参数敏感性分析，并同解析解进行了对比研究，分析了弯矩对于柔性管屈曲载荷的主要影响。采用曲梁有限元法建立了长时间循环弯矩下的有限元模型，分析了抗拉伸层钢缆结构形态，在弯矩过程中扭转角变化规律，抗拉伸层应力变化规律以及轴向压缩值变化规律。同时，采用欧拉梁模拟螺旋钢缆，以等效壳单元法模拟其它层结构，进行了长时间循环弯矩下的屈曲分析。将两种模型结果与丹麦进行的柔性管屈曲试验进行对比，分析循环弯矩对于柔性管局部屈曲失效的影响。综合上述研究结果，得出柔性管屈曲载荷和屈曲失效形式的主要影响因素。结果表明，曲梁方法与欧拉方法均可用于柔性管屈曲分析，曲梁方法计算效率比欧拉梁有限元法高。研究成果可建立一种快速可行的曲梁有限元分析方法，用于在截面设计中校核柔性管局部屈曲特性。整个研究内容可为柔性管截面设计提供参考，为柔性管设计国产化做出贡献。
作者：	杨旭
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	孙丽萍
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文